Numerical Investigation of Natural Convection of Oil Flow in Transformer
Abstract
Effekttapet, samt gjentatte kaldstart av en elektrisk transformator kan føre til at tem-peraturen i transformatoren blir så høy at levetiden reduseres. For å minke denne tem-peraturøkningen brukes tranformatorolje som kjøler ned transformatoren ved hjelp avvarmeadveksjon. Oljens viskositet er svært temperaturavhengig og kan bli svært viskøsnår den blir kald. Dette kan skape problomer dersom man kaldstarter en transformator ikalde omgivelser. En kaldstart er når transformatoren blir startet opp etter at oljen har nåddtemperaturen til omgivelsene.
I denne master oppgaven er CFD tatt i bruk for å simulere et slikt kaldstartscenario.Dette er gjort ved å betrakte en del av transformatoren som består av 4 pass lagt oppåhverandre. Det øverste passet er løst fullt ut, porøst materiale approksimasjon er brukt påde 3 nederste passene for å redusere kjøretiden. Dette CFD problemet er simulert ved brukav OpenFOAM, hvor et grid av celler er laget til å tilpasse passene i transformatoren. Bådeimplementasjonen og grid er verifisert og vist at de løser ligningene som beskriver prob-lemet, nøyaktig. Simuleringen viser at den maksimale HST under en kaldstart ved laveomgivelsestemperaturer er 17.2 K høyere enn ved milde omgivelsestemperaturer. Detteindikerer at kaldstarting av transformatorer ved lave omgivelsestemperaturer kan føre tilat levetiden til transformatorene reduseres. The power loss and subsequent cold start of an electrical transformer may cause ex-tensive temperatures that results in premature aging. Oil is therefore used to advect theheat from the transformer. However, the viscosity of oil is highly temperature-dependentsuch that, as temperatures get decreases, oils may become very viscous. This can be aproblem in cold environments during a cold start of the transformer. A cold start is whenthe transformer is powered up after the oil has reached the ambient temperatures.
In this thesis, a CFD model is used to simulate the cold-start problem in a sectionof a transformer that consists of 4 passes stacked on top of each other. The top passis fully resolved, while a porous-medium approximation is employed on the 3 bottompasses to significantly decrease the computation time. The CFD model is solved usingOpenFOAM, where a mesh is constructed to adapt to the stacked transformer passes. Boththe implementation and the mesh are verified and shown to accurately solve the governingequations. The simulations reveal that the maximum HST during a cold start in a coldenvironment is found to be 17.2 K higher than one conducted in milder climate. Thisindicates that cold starting a transformer in cold environments may cause premature aging.